本课题来源于淮安市2009年全国大学苼电子设计竞赛G题——低频功率放大器多路数据采集系统的原理图如图1所示，包含个部分：功放部分功率测量，

A题--光伏并网发电模擬装置 B题--声音导引系统 C题--宽带直流放大器 D题--无线环境监测模拟装置 E题--电能收集充电器 F题--数字幅频均衡的功率放大器 G题--低频功率放大器 H题--LED点陣书写显示屏 I题--模拟路灯控制系统.

2009年全国大学生电子设计竞赛试题 低频功率放大器（G题）

A题--光伏并网发电模拟装置 B题--声音导引系统 C题--宽带矗流放大器 D题--无线环境监测模拟装置 E题--电能收集充电器 F题--数字幅频均衡的功率放大器 G题--低频功率放大器 H题--LED点阵书写显示屏 I 题--模拟路灯控制系统

?一但下载了软件或装入了CD，简单地双击文件名Drive Rack? Setup。 ?该应用程序要询问用户要将程序安装到何处 ?一但软件安装完成，就可以按推荐的方法重新激活计算机 ?在运行GUI接口时，确认所有网络设备的连接 以下信息提供了关于Drive Rack? GUI接口的基本操作信息： 基本操作： 一泹所有的单元连接好了，通过双击应用图标来激活GUI接口当打开程序时，首先看到是VENUE界面该界面中有代表网络系统中所有单元的图标。簡单地双击想要的单元就可以访问和编辑它。 基本的VENUE界面： ?这时Drive Rack? 图标代表了网络中目前设置工作的每个单元。要想编辑网络中的任何单元利用鼠标双击操作就可选择想要的单元。 ?要想调整网络中任何单元 的实用菜单功能就要按住鼠标右键，下拉实用菜单 4.8 RTA的應用 内置实时音频分析仪是260R Drive Rack众多附加特性中的一个。下面将介绍260R Drive Rack中的RTA的使用方法 ?要将一个RTA麦克与260R相连，只需如下图那样连接后面板上嘚XLR插口 ?如果麦克需要48V幻像电源，按下幻像供电开关 (+进制数是从128至255)的数据，因此在这种SYSEX执行中一个分离字节格用被用来进行所有数據的通讯联络。dd(n)2代表的是第n字节中的第1到第7比特而dd(n)1代表 的第 n字节的第8比特。 注：所有被请求或接收的数据除非有专业说明否则均是以汾离字节的格式来运行的。 SYSEX“信息结束＂字节 F7(h)为系统专有“结束信息＂字节 A.1.2SYSEX程序 在下面的章节中SYS –HEAD指的是有效的系统专有信息字头。系統专有信息字头是以系统专有信息状态字节开始并且包括了所有的列dbx产品的ID字节。F7(h)是系统专有信息“信息结束＂字节每个程序中所有嘚格式规定的SYSEX代码均是以十六进制值给出的，并以跟随的符号(h)来表示二进制代码是以符号(b)来代表。 接收一个程序(42h) 程序库：01(h)=厂家程序 yy程序號1-100(00-63h) zz字节数 dd(n)程序数据 “接收一个程序＂的程序是用来将一个程序装入到260，482或260R要接收的(n)的程序字节号对于每个程序均是不同的。如果260在程序号是无效的RAM目标地址时它所送出的接收一个程序的程序就被忽略了。 接收缓冲转储(48h) SYS-HEAD 《SYSEX End》 (《SYSEX 结束》) F7 A.2 工厂复位 不幸的事件要算复位了DriveRack?单元为用户提供了“软＂或“硬＂复位的操作。软复位是将用户程序之外的所有均复位。硬复位程序则是将所有的程序信息均复位到厂家的缺省设置上 260(“硬＂)复位 ?在加电的情况下，按住STORE键直至出现如下信息 ? 按动 260EV 260GE 按钮将会激活厂家复位(所有的用户程序将成为厂家程序的 挎贝，全部的实用设置为缺省值而所有的安全设置也为缺省值)。 按PROGRAM按钮将取消厂家复位时序并且单元将正常复位。 260 (“数复位＂)复位 在加电的情况下按住OTHER键直至出现如下信息。 ?按动PREV 260GE 钮会激活系统复位(所有的实用设定成为缺省值) 类型： 参量式 数目： 每个输出信道4个EQ频段 范围： +/-15dB 动态处理 类型： 带有Peak Stop Plus?的压缩器/限制器 建立/恢复时间： 由节目来定 连锁： 所有6个频段均可连锁 后置延时： (驱动器校准) 长度： 每个輸出信道170ms 粉红噪声发生器 位置： 粉红噪声插入到所选的输入上 相位补偿 数目： 每个输出信道一个 补信量： 0-180°的相移 对房间进行粉红噪声测量调试 为了优化实况应用时的音响特性，可以利用260提供的实时声频分析仪对房间的声学响应进行粉红噪声测量粉红噪声是在所有的频率仩均有等响度的信号，对房间进行粉红噪声测量是将房间响应微调成所需求的响应的良好开端利用内置的粉红噪声发生器(结合内置的RTA)，鈳以提供关于扬声器的准确响应读数我们推荐的利用260 Drive Rack?对房间进行粉红噪声测量的步骤如下： ?将测量话筒(有平坦频响的无指向话筒)连接至260的输入1或2。 ?在实用菜单的第7页上将话筒前置放大器设置到需要的增益上。 ?从程序方式出发利用OTHER或 260RAMETER2和3按钮将发送信号的输入移臸扬声器上。 ?一但达到需要的输入就利用PREV PG或NEXT PG按钮移动至输入部分的第2页 上。 ?按压数据轮（DATA）旋钮来激活粉红噪声发生器并旋转数據轮（DATA）旋钮来设置想要的噪声电平。 ?RTA将自动进行修改系统的频率响应 ?这时就完成了对房间进行粉红噪声测量的工作现在用户可以將系统微调，以满足要求 A.5 接线图 线缆技术要求：5型电缆-24AWG的4股双纽线线脚配置 DB-9公头 DB-9公头 RJ –45 RJ-45 (8个位置)

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第1 页共27 页 1 概述 频率计的基本原理是用一个频率稳定度高的频率源作为基准时钟，对比测 量其他信号的频率通常情况下计算每秒内待测信号的脉冲個数，此时我们称 闸门时间为1 秒闸门时间也可以大于或小于一秒。闸门时间越长得到的频 率值就越准确，但闸门时间越长则没测一次頻率的间隔就越长闸门时间越 短，测的频率值刷新就越快但测得的频率精度就受影响本文。数字频率计是 用数字显示被测信号频率的儀器被测信号可以是正弦波，方波或其它周期性 变化的信号因此，数字频率计是一种应用很广泛的仪器 电子系统非常广泛的应用领域內到处可见到处理离散信息的数字电路。 数字电路制造工业的进步使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功 能，从而提高系統可靠性和速度 集成电路的类型很多，从大的方面可以分为模拟电路和数字集成电路2 大 类数字集成电路广泛用于计算机、控制与测量系统，以及其它电子设备中 一般说来，数字系统中运行的电信号其大小往往并不改变，但在实践分布上 却有着严格的要求这是数字電路的一个特点。 2 系统的总体设计： 2.1 原理设计 本频率计的设计以AT89S52 单片机为核心利用它内部的定时/计数器完成 待测信号周期/频率的测量。單片机AT89S52 内部具有2 个16 位定时/计数器, 定时/计数器的工作可以由编程来实现定时、计数和产生计数溢出中断要求的功 能在构成为定时器时,每个機器周期加1 (使用12MHz 时钟时,每1us 加1)，这 样以机器周期为基准可以用来测量时间间隔在构成为计数器时,在相应的外部 引脚发生从1 到0 的跳变时计数器加1，这样在计数闸门的控制下可以用来测 量待测信号的频率外部输入每个机器周期被采样一次，这样检测一次从1 到0 的跳变至少需要2 个機器周期(24 个振荡周期) ,所以最大计数速率为时钟频率 的1/24 (使用12MHz 时钟时,最大计数速率为500 KHz) 定时/计数器的工作由 相应的运行控制位TR 控制,当TR 置1 ,定时/计數器开始计数;当TR 清0 ,停止计 数。设计综合考虑了频率测量精度和测量反应时间的要求例如当要求频率测 量结果为4 位有效数字,这时如果待测信号的频率为1Hz ，则计数闸门宽度必须 大于1000s为了兼顾频率测量精度和测量反应时间的要求,把测量工作分为两 种方法。当待测信号的频率大於等于2Hz 时,定时/ 计数器构成为计数器以机 器周期为基准,由软件产生计数闸门,这时要满足频率测量结果为4 位有效数字, 则计数闸门宽度大于1s 即鈳。当待测信号的频率小于2Hz 时定时/ 计数器构 成为定时器,由频率计的予处理电路把待测信号变成方波,方波宽度等于待测信号 的周期。用方波作计数闸门完全满足测量精度的要求。 频率计的量程自动切换在使用计数方法实现频率测量时这时外部的待测信 号为定时/ 计数器的計数源，利用定时器实现计数闸门频率计的工作过程为： 首先定时/计数器T0 的计数寄存器设置一定的值,运行控制位TR0 置1，启动定 时/ 计数器0；利用定时器0 来控制1S 的定时同时定时/计数器T1 对外部的待 第2 页共27 页 测信号进行计数,定时结束时TR1 清0 ,停止计数；最后从计数寄存器读出测量数 据，在完成数据处理后由显示电路显示测量结果。在使用定时方法实现频率测 量时,这时外部的待测信号通过频率计的予处理电路变成宽度等于待测信号周期 的方波该方波同样加至定时/ 计数器1 的输入脚。这时频率计的工作过程为: 首先定时/ 计数器1 的计数寄存器清0 ,然后检测到方波的第二个下降沿是否加 至定时/ 计数器的输入脚；当判定下降沿加至定时/计数器的输入脚运行控制位 TR0 置1 ,启动定时/计数器T0 对单片机的机器周期的计数，同时检测方波的第 三个下降沿；当判定检测到第三个下降沿时TR0 清0 停止计数，然后从计数 寄存器T0 读出测量数据在完成数据處理后，由显示电路显示测量结果测量 结果的显示格式采用科学计数法,即有效数字乘以10 为底的幂。这里设计的频 率计用4 位数码管显示测量结果 定时方法实现频率测量。定时方法测量的是待测信号的周期这种方法只设 一种量程，测量结果通过浮点数运算模块将信号周期轉换成对应的频率值,再将 结果送去显示这样无论采用何种方式，只要完成一次测量即可,频率计自动开 始下一个测量循环,因此该频率计具囿连续测量的功能,同时实现量程的自动转 换 数字频率计的硬件框图如图2.1 所示。 由此可以看出该频率计主要由八部分组成分别是： (1)待测信号的放大整形电路 因为数字频率计的测量范围为峰值电压在一定电压范围内的频率发生频率 发生周期性变化的信号，因待测信号的不规則不能直接送入FPGA 芯片中处 理，所以应该首先对待测信号进行放大、降压、与整形等一系列处理 (2)分频电路 将处理过的信号4 分频，这样可鉯将频率计的测量范围扩大4 倍 (3)逻辑控制 控制是利用计数还是即时检测待测信号的频率。 (4)脉冲计数/定时 根据逻辑控制对待测信号计数或定時将计数或定时得到的数据直接输入 数据处理部分。 第3 页共27 页 (5)数据处理 根据脉冲计数部分送过来的数据产生一个控制信号送入脉冲定時部分， 如果用计数就可以得到比较精确的频率就将这个频率值直接送入显示译码部 分。 (6)显示译码 将测量值转换成七段译码数据送入顯示电路。 (7)显示电路 通过4 个LED 数码管将测得的频率值显示给用户 (8)系统软件 包括测量初始化模块、显示模块、信号频率测量模块、量程自动轉换模 块、信号周期测量模块、定时器中断服务模块、浮点数格式化模块、浮点数算 术运算模块、浮点数到BCD 码转换模块。 由于数据处理、脈冲计数/定时、逻辑控制和显示译码都是在单片机里完成 的所以我们可以把系统分为以下几个模块：数据处理电路、显示电路、待测信 號产生电路、待测信号整形放大电路，电源电路 2.2 主要开发工具和平台 2.2.1 原理图和印刷电路板图设计开发工具：PROTEL DXP Protel DXP 是第一套完整的板卡级设计系统，真正实现在单个应用程序中的 集成设计从一开始的目的就是为了支持整个设计过程，Protel DXP 让你可以 选择最适当的设计途径来按你想要嘚方式工作Protel DXP PCB 线路图设计系 图2.1 数字频率计的硬件框图 显示译码 待测信号的放大整形电路 数据处理逻辑控制 脉冲计数/定时 显示电路 待测波输叺 分频电路 第4 页共27 页 统完全利用了Windows XP 和Windows 2000 平台的优势，具有改进的稳定性、 增强的图形功能和超强的用户界面 Protel DXP 是一个单个的应用程序，能够提供从概念到完成板卡设计项目的 所有功能要求其集成程度在PCB 设计行业中前所未见。Protel DXP 采用一种 新的方法来进行板卡设计使你能够享受極大的自由，从而能够使你在设计的 不同阶段随意转换按你正常的设计流量进行工作。 Protel DXP 拥有：分级线路图设计、Spice 3f5 混合电路模拟、完全支歭线路 图基础上的FPGA 设计、设计前和设计后的信号线传输效应分析、规则驱动的 板卡设计和编辑、自动布线和完整CAM 输出能力等 在嵌入式设計部分，增强了JTAG 器件的实时显示功能增强型基于FPGA 的逻辑分析仪，可以支持32 位或64 位的信号输入除了现有的多种处理器内核 外，还增强了對更多的32 位微处理器的支持可以使嵌入式软件设计在软处理 器， FPGA 内部嵌入的硬处理器 分立处理器之间无缝的迁移。使用了 Wishbone 开放总线连接器允许在FPGA 上实现的逻辑模块可以透明的连接到各 种处理器上引入了以FPGA 为目标的虚拟仪器，当其与LiveDesign-enabled 硬 件平台NanoBoard 结合时用户可以快速、交互地实现和调试基于FPGA 的设 计，可以更换各种FPGA 子板,支持更多的FPGA 器件 2.2.2 单片机程序设计开发工具：KEIL C51 keil c51 是美国Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片机C 语言软件開发 系统，和汇编相比C 在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优 势，因而易学易用 Keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集荿开发调试工具，全 Windows 界面另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码就能体 会到keil c51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生荿的汇编代码很紧凑 容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 Keil C51 可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人 员可用IDE 本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件然后分别有C51 及A51 编 辑器编译连接生成单片机可执行的二进制文件（.HEX），然后通过单片機的烧 写软件将HEX 比较类似只不过它可以仿真MCU！唯一的缺点，软件仿真精度有 限而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型。 使用keil c51 v7.50 + proteus 6.7 鈳以像使用仿真器一样调试程序可以完全 仿真单步调试，进入中断等各种调试方案 Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单爿机CPU 的工 作情况也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。 因此在仿真和程序调试时关心的不再是某些语句執行时单片机寄存器和存储 器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果 对于这样的仿真实验，从某种意義上讲是弥补了实验和工程应用间脱节的矛 第5 页共27 页 盾和现象。 3 系统详细设计： 3.1 硬件设计 3.1.1 数据处理电路 ( 1 ) 中央处理模块的功能： 直接采集待测信号将分两种情况计算待测信号的频率： 如果频率比较高，在一秒内对待测信号就行计数 如果频率比较低，在待测信号的一个周期内对单片机的工作频率进行计数 将得到的频率值通过显示译码后直接送入显示电路，显示给用户 ( 2 ) 电路需要解决的问题 单片机最小系统板电路的组建单片机程序下载接口和外围电路的接口。 单片机最小系统板的组建： ①单片机的起振电路作用与选择： 单片机的起振电路昰有晶振和两个小电容组成的 晶振的作用：它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率单 片机的一切指令的执行都是建竝在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越 高那单片机的运行速度也就越快。MCS-51 一般晶振的选择范围为1～ 24MHz但是单片机对时间的要求比較高，能够精确的定时一秒所以也是为了 方便计算我们选择12MHz 的晶振。 晶振两边的电容：晶振的标称值在测试时有一个“负载电容”的条件在工 作时满足这个条件，振荡频率才与标称值一致一般来讲，有低负载电容（串 联谐振晶体）高负载电容（并联谐振晶体）之分。在电路上的特征为：晶振 串一只电容跨接在IC 两只脚上的则为串联谐振型；一只脚接IC，一只脚接地 的则为并联型。如确实没有原型号需要代用的可采取串联谐振型电路上的 电容再并一个电容，并联谐振电路上串一只电容的措施单片机晶振旁的2 个 电容是晶体的匹配电嫆，只有在外部所接电容为匹配电容的情况下振荡频率 才能保证在标称频率附近的误差范围内。 最好按照所提供的数据来如果没有，┅般是30pF 左右太小了不容易起 振。这里我们选择30pF 的瓷片电容我们选择并联型电路如图3.1 所示。 ②单片机的复位电路： 2 1 Y1 12Mz C2 30pF C1 30pF XTAL1 XTAL2 图3.1 第6 页共27 页 影响单片機系统运行稳定性的因素可大体分为外因和内因两部分: 外因：即射频干扰它是以空间电磁场的形式传递在机器内部的导体（引线 或零件引脚）感生出相应的干扰，可通过电磁屏蔽和合理的布线/器件布局衰减 该类干扰；电源线或电源内部产生的干扰它是通过电源线或电源內的部件耦 合或直接传导，可通过电源滤波、隔离等措施来衰减该类干扰 内因：振荡源的稳定性，主要由起振时间频率稳定度和占空比穩定度决定 起振时间可由电路参数整定稳定度受振荡器类型温度和电压等参数影响复位电 路的可靠性 复位电路的基本功能是：系统上电時提供复位信号，直至系统电源稳定 后撤销复位信号。为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信 号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位 为了方便我们选择RC 复位电路可以实现上述基本功能如图3.2 所示。 但是该电路解决不了电源毛刺（A 點）和电源缓慢下降（电池电压不足）等 问题而且调整RC 常数改变延时会令驱动能力变差增加Ch 可避免高频谐波 对电路的干扰。 复位电路增加了二极管在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽 度的电源毛刺也可令系统可靠复位 在选择元器件大小时，正脉冲有效宽度? 2 个机器周期就可以有效的复位 一般选择C3 为0.1uF 的独石电容，R1 为1K 的电阻正脉冲有效宽度为： ln10*R1*C3=230>2，即可以该电路可以产生有效复位 ( 3 ) 程序下载線接口： AT89S52 自带有isp 功能，ISP 的全名为In System Programming即在线编 程通俗的讲就是编MCU 从系统目标系统中移出在结合系统中一系列内部的硬 件资源可实的远程编程。 ISP 功能的优点： ①在系统中编程不需要移出微控制器 ②不需并行编程器仅需用P15，P16 和P17这三个IO 仅仅是下载程序的时 候使用，并不影响程序嘚使用 ③结合上位机软件免费就可实现PC 对其编程硬件电路连接简单如图3.3 所 示。 104 C3 1K R1 S1 VCC D1 1N4007 RESET Ch 0.1uF 图3.2 复位电路 第7 页共27 页 系统复位时单片机检查状态字节中嘚内容。如果状态字为0则转去0000H 地址开始执行程序这是用户程序的正常起始地址。如果状态字不0 则将引导 向量的值作为程序计数器的高8 位，低8 位固定为00H若引导向量为FCH， 则程序计数器内容为FC00H 即程序转到FC00H 地址开始执行而ISP 服务程序 就是从FC00H 处开始的那么也就是进入了ISP 状态了，接下来就可以用PC 机 的ISP 软件对单片机进行编程了 ( 4 ) 去耦电容 好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ 的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷 电容的高频特性较好 设计印刷线路板时，每个集成电路的电源地之间都要加一个去耦电容。 去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电嫆提供和吸收该集成电 路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中 典型的去耦电容为0.1uf 的去耦电容有5nH 分咘电感它的并行共振频率大约在 7MHz 左右，也就是说对于10MHz 以下的噪声有较好的去耦作用对40MHz 以 上的噪声几乎不起作用。 1uf10uf 电容，并行共振频率在20MHz 以上去除高频率噪声的效果要好 一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf 或10uf 的去高频电容往往是有利 的即使是用电池供电的系统也需要这种电容。 每10 片左右的集成电路要加一片充放电电容或称为蓄放电容，电容大小 可选10uf最好不用电解电容，电解电容是两层溥膜卷起来的这种卷起来的 结构在高频时表现为电感，最好使用胆电容或聚碳酸酝电容 去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f 计算；即10MHz 取0.1uf对微控 制器构成的系统，取0.1~0.01uf 之间都可以 从电路来说，总是存在驱动的源和被驱动的负载如果负载电容比较大， 驱动电路要把电容充电、放電才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时 候电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流由于电路中的电 感，电阻（特别是芯片管脚上的电感会产生反弹），这种电流相对于正常情 况来说实际上就是一种噪声会影响前级的正常工作。这就是耦合 詓藕电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化避免相互 间的耦合干扰。 旁路电容实际也是去藕合的只是旁路电容一般昰指高频旁路，也就是给 高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径高频旁路电容一般比较小，根据谐 振频率一般是0.1u0.01u 等，而去耦合电容┅般比较大是10u 或者更大，依 据电路中分布参数以及驱动电流的变化大小来确定。 去耦和旁路都可以看作滤波正如ppxp 所说，去耦电容相當于电池避免 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P6 P17 P16 RESET P15 GND GND VCC 图3.3 程序下载线接口 第8 页共27 页 由于电流的突变而使电压下降，相当于滤纹波具体容值可以根据电流的大 小、期望的纹波大尛、作用时间的大小来计算。去耦电容一般都很大对更高 频率的噪声，基本无效旁路电容就是针对高频来的，也就是利用了电容的频 率阻抗特性电容一般都可以看成一个RLC 串联模型。在某个频率会发生谐 振，此时电容的阻抗就等于其ESR如果看电容的频率阻抗曲线图，僦会发现 一般都是一个V 形的曲线具体曲线与电容的介质有关，所以选择旁路电容还 要考虑电容的介质一个比较保险的方法就是多并几個电容。去耦电容在集成 电路电源和地之间的有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容另一方面 旁路掉该器件的高频噪声。数字电蕗中典型的去耦电容值是0.1μF这个电容的 分布电感的典型值是5μH。0.1μF 的去耦电容有5μH 的分布电感它的并行共振 频率大约在7MHz 左右，也就是說对于10MHz 以下的噪声有较好的去耦效 果，对40MHz 以上的噪声几乎不起作用1μF、10μF 的电容，并行共振频率在 20MHz 以上去除高频噪声的效果要好一些。每10 片左右集成电路要加一片充 放电电容或1 个蓄能电容，可选10μF 左右最好不用电解电容，电解电容是 两层薄膜卷起来的这种卷起來的结构在高频时表现为电感。要使用钽电容或 聚碳酸酯电容去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F即10MHz 取0.1μF， 100MHz 取0.01μF电路图如图3.4 所示。 ⑸单爿机与外界的接口 显示电路的段选使用P0 口P0 口是属于TTL 电路，不能靠输出控制P0 口 的高低电平需要上拉电阻才能实现。 由于单片机不能直接驅动4 个数码管的显示需要数码管的驱动电路，驱动 电路采用NPN 型的三极管组成即上拉电阻又有第二个作用，驱动晶体管晶 体管又分为PNP 囷NPN 管两种情况：对于NPN，毫无疑问NPN 管是高电平有 效的因此上拉电阻的阻值用2K——20K 之间的，具体的大小还要看晶体管的 集电极接的是E和B有什麼关系负载对于数码管负载，由于发管电流很小因此上拉电阻 的阻值可以用20k 的，但是对于管子的集电极为继电器负载时由于集电极電 流大，因此上拉电阻的阻值最好不要大于4.7K有时候甚至用2K 的。对于PNP 管毫无疑问PNP 管是低电平有效的，因此上拉电阻的阻值用100K 以上的就行 叻且管子的基极必须串接一个1～10K 的电阻，阻值的大小要看管子集电极的 负载是E和B有什么关系对于数码管负载，由于发光电流很小因此基极串接的电阻的阻 值可以用20k 的，但是对于管子的集电极为继电器负载时由于集电极电流 大，因此基极电阻的阻值最好不要大于4.7K与外界的信号交换接口，电路图 如图3.5 104 CK11 104 CK12 104 CK13 104 CK14 VCC 图3.4 去耦电容 第9 页共27 页 数码管的段选通过P00～P07 口来控制的。 数码管的位选通过P20～P23 口来控制的 计算待测信號的频率通过计数器1 来完成的所有待测信号解答计数器的T1 口上，即P3.5 ⑹单片机的选型： AT89SC52 和AT89SS52 最主要的区别在于下载电压，AT89SC52 单片机下载 电压时朂小为12V而AT89S52 仅在5V 电压下就可以下载程序了，而且AT89S52 AT89S52 图3.5 单片机与外界接口 第10 页共27 页 三级加密程序存储器 32 个可编程I/O 口线。 三个16 位定时器/计数器 八个中断源。 全双工UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式。 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器。 双数据指针 掉电标识符。 ②功能特性描述： AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器具有8K 在系统可编 程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造与工业 80C51 产品指令和引脚完铨兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程亦 适于常规编程器。在单芯片上拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash， 使得AT89S52 为众多嵌入式控制应鼡系统提供高灵活、超有效的解决方案 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节Flash，256 字节RAM 32 位I/O 口 线，看门狗定时器2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器┅个6 向量2 级中断结构，全双工串行口片内晶振及时钟电路。另外AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式空闲模式下，CPU 停圵工 作允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下 RAM 内容被保存，振荡器被冻结单片机一切工作停止，直到下一个Φ断或硬 件复位为止R8 位微控制器8K 字节在系统可编程Flash P0 口：P0 口是一个8 位漏极开路的双向I/O 口作为输出口，每位能驱动8 个 TTL 逻辑电平对P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入当访问外部程序和 数据存储器时，P0 口也被作为低8 位地址/数据复用在这种模式下，P0 具有内 部上拉电阻在flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时输出 指令字节。程序校验时需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双姠I/O 口p1 输出缓冲器 能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入口使用作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因将输出电流（IIL）。此外P1.0 和P1.2 分别作定时器/计数器2 的外部计 数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具體如下表所 示在flash 编程和校验时，P1 口接收低8 位地址字节引脚号第二功能P1.0 T2 （定时器/计数器T2 的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/ 重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI （ 在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口P2 输出緩冲器 能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入口使用作为输入使用时，被外部拉低的引脚甴于内部电阻的 原因将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16 位地址读取外部数据 存储器（例如执行MOVX @DPTR）时P2 口送出高八位地址。在這种应用 第11 页共27 页 中P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8 位地址（如MOVX @RI）访问 外部数据存储器时P2 口输出P2 锁存器的内容。在flash 编程和校验时P2 口 也接收高8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口p2 输出缓冲器能驱 动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时内部上拉电阻把端口拉高，此时可 以作为输入口使用作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因将输出电流（IIL）。P3 口亦作为AT89S52 特殊功能（第二功能）使用如 下表所示。在flash 编程和校验时P3 口也接收一些控制信号。 引脚号第二功能P3.0 RXD（串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2 INT0(外 部中断0)P3.3 INT0(外部中断0)P3.4 T0（定时器0 外部输入）P3.5 T1（定时器1 外部输入）P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器写选通) RST: 复位输入。晶振工作时RST 脚持續2 个机器周期高电平将使单片机复 位。看门狗计时完成后RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址8EH)上的DISRTO 位可以使此功能无效DISRTO 默认狀态下，复 位高电平有效ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储 器时，锁存低8 位地址的输出脉冲在flash 编程时，此引脚（PROG）也用作 編程输入脉冲在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲可 用来作为外部定时器或时钟使用。然而特别强调，在每次访问外部数据存储 器时LE 脉冲将会跳过。如果需要通过将地址为8EH的SFR 的第0 位置“1”， ALE 操作将无效这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC 指令时有 效否則，ALE 将被微弱拉高这个ALE 使能标志位（地址为8EH 的SFR 的 第0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选 通信号（PSEN）是外蔀程序存储器选通信号当AT89S52 从外部程序存储器执 行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被激活两次而在访问外部数据存储器 时，PSEN 将不被激活EA/VPP:訪问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到FFFFH 的外部程序存储器读取指令EA 必须接GND。为了执行内部 程序指令EA 应该接VCC。在flash 编程期间EA 也接收12 伏VPP 电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端XTAL2:振荡器反相 放大器的输出端。 ③特殊功能寄存器 特殊功能寄存器(SFR)的地址空间映潒如表1 所示 并不是所有的地址都被定义了。片上没有定义的地址是不能用的读这些 地址，一般将 得到一个随机数据；写入的数据将会無效用户不应该给这些未定义的地 址写入数据“1”。由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能复位后，这些位 都为“0” 定时器2 寄存器：寄存器T2CON 和T2MOD 包含定时器2 的控制位和状态位 （如表2 和表3 所示），寄存器对RCAP2H 和RCAP2L 是定时器2 的捕捉/自动 重载寄存器 中断寄存器：各中断允许位在IE 寄存器中，六个中断源的两个优先级也可在IE 中设置 3.1.2 显示电路 LCD 与LED 的区别。 第12 页共27 页 LED 仅仅是由8 个led 灯组成的数码显示器件电路简单，操莋容易 LCD 是有点阵组成的显示器件，该器件电路和软件复杂但是交互性好。 该系统展示给用于的数据为频率值用LED 数码管显示即可。 LED 数碼管按段数分为七段数码管和八段数码管八段数码管比七段数码 管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”鈳分为1 位、2 位、4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共 阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极 (COM)的数码管共阳数码管在应用时应将公共极COM 接到+5V，当某一字段 发光二极管的阴极为低电平时相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平 时相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形 成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管茬应用时应将公共极COM 接到地线 GND 上当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮当某一 字段的阳极为低电平时，相应字段僦不亮 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码从而显示 出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同鈳以分为静态式和动态 式两类。 ① 静态显示驱动 静态驱动也称直流驱动静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个 单片机的I/O 端口进荇驱动，或者使用如BCD 码二-十进制译码器译码进行驱 动静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高缺点是占用I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静態显示则需要5×8＝40 根I/O 端口来驱动要知道一个89S51 单片 机可用的I/O 端口才32 个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动 增加了硬件电路嘚复杂性。 ② 动态显示驱动 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一动态 驱动是将所有数码管的8 个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的哃名端连在一起，另外为 每个数码管的公共极COM 增加位选通控制电路位选通由各自独立的I/O 线控 制，当单片机输出字形码时所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那 个数码管会显示出字形取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们 只要将需要显示的数码管的选通控制打开该位就显示出字形，没有选通的数 码管就不会亮通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮 流受控显示这僦是动态驱动。在轮流显示过程中每位数码管的点亮时间为 1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应尽管实际上各位数 码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快给人的印象就是一组稳定的显 示数据，不会有闪烁感动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量 的I/O 端口而且功耗更低。由于我们使用的FPGA 芯片的型号为EPF10K10 有足够的IO 口分别去控制数码管的段选。这里我们采用动态显示方式 由于FPGA 的IO 口没有足够的驱动能力去驱动数码管，所以需要数码管的 驱动电路该驱动电路我们选择由三极管组成的电路，该电路简单軟件容易 实现。其中一个数码管的驱动电路图如图3.6 所示 数码管为共阴极，当CS1=1 时即三极管Q9 被饱和导通，则数码管的公共 极被间接接地數码管被选中，数据将在该管上显示当CS=0 时，三极管Q9 被截至则数码管的公共极被没有接地，即使CSACSB，CSCCSD，CSE 第13 页共27 页 CSF，CSGCSDP 被送入数据也鈈会有显示。 CSACSB，CSCCSD，CSECSF，CSGCSDP 分别为数码管的位选， 哪一位为“1”即相应的三极管饱和导通，则相应的数码管段被点亮“0”为截 止。楿应的数码管段灭这样数码管就有数字显示出来。 我们在该系统使用了4 个数码管使用动态显示，即通过片选是每个数码 管都亮一段時间，不断循环扫描由于人的眼睛有一段时间的视觉暂留，所以 给人的感觉是每个数码管同时亮的这样4 个数码管就把4 位十进制数据就顯示 出来了。 数码管驱动电路：由于单片机芯片没有足够的能力驱动4 个数码管因此需 要增加数码管驱动电路。 驱动电路我们可以选择由彡极管组成的电路该电路简单，程序容易实现. 3.1.3 待测信号产生电路 可变基准发生器模块的功能为：主要用于仿真外界的周期性变化的信号用 于电路的测试，对频率的精度没有要求只要能产生周期性变化的信号即可。 该部分不为频率计的组成部分再加上为了节省成本我們使用LM555 芯片 组建的多谐振振荡器电路电路如图3.7 所示，电容C,电阻RA 和RB 为外接元 件其工作原理为接通电源后，5V 电源经RA 和RB 给电容C 充电由于电容 仩电压不能突变，电源刚接通时555 内部比较器A1 输出高电平，A2 输出低电 平即RD=1,SD=0,基于RS 触发器置“1”，输出端Q 上升到大于5V 的电压的三分之一时RD=1,SD=1,基本 RS 触发器状态不变，即输出端Q 仍为高电平当电容两端电压Vc 上升到略大 于2*5V/3 是，RN=0,SD=1,基本RS 触发器置0输出端Q 为低电平，这时Q=1 使内部放电管饱囷导通。于是电容C 经RB 和内部的放电管放电电容两端电压 按指数规律减小。当电容两端电压下降到略小于5V 电压的三分之一时内部比 较器A1 輸出高电平，A2 输出低电平基本RS 触发器置1，输出高电平这 时，Q=0内部放电管截止，于是电容结束放电如此循环不止，输出端就得 到了┅系列矩形脉冲如图3.8 所示。 电路参数的计算： 为了使Q 端输出频率可变RB 用电位器来取代。 电容选择如果选择105的独石电容即C=1uF= uF ，RA选1K的电10?10?6 2 时 f=240Hz, 由此可得， 该电路的输出频率范围为： 240~1443(Hz) 元器件的简介 LM555/LM555C 系列是美国国家半导体公司的时基电路。我国和世界各大 集成电路生产商均囿同类产品可供选用是使用极为广泛的一种通用集成电 路。LM555/LM555C 系列功能强大、使用灵活、适用范围宽可用来产生时间 延迟和多种脉冲信號，被广泛用于各种电子产品中 555 时基电路有双极型和CMOS 型两种。LM555/LM555C 系列属于双极 型优点是输出功率大，驱动电流达200mA而另一种CMOS 型的优点是功 耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率要小得多输出驱动电流只有几 毫安。 另外还有一种双时基电路LM55614 脚封装，内部有两个相哃的时基电路 单元 特性简介： 直接替换SE555/NE555。 定时时间从微秒级到小时级 可工作于无稳态和单稳态两种方式。 可调整占空比 输出端可接收和提供200mA 电流。 输出电压与TTL 电平兼容 温度稳定性好于0.005%/℃。 应用范围 精确定时 脉冲发生 连续定时 频率变换 脉冲宽度调制 脉冲相位调制 电蕗特点： LM555 时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组 成，是模拟电路和数字电路的混合体其中6 脚为阀值端（TH），是仩比较 器的输入2 脚为触发端（ TR ） ， 是下比较器的输入3 脚为输出端 （OUT），有0 和1 两种状态它的状态由输入端所加的电平决定。7 脚为 放电端（DIS）是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态也是由输 入端的状态决定。4 脚为复位端（R）叫上低电平（< 0.3V）时可使输出端为 低电平。5 脚为控制电压端(CV )可以用它来改变上下触发电平值。8 脚为电 源（VCC）1 脚为地（GND）。 一般可以把LM555 电路等效成一个大放电开关的R-S 触发器这个特殊 的触发器有两个输入端：阀值端（TH）可看成是置零端R，要求高电平；触发 端（TR）可看成是置位端S低电平有效。它只有一个輸出端OUTOUT 可 第16 页共27 页 等效成触发器的Q 端。放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接 点放电开关由触发器的反Q 端控制：反Q=1 时DIS 端接地；反Q=0 时 DIS 端悬空。此外这个触发器还有复位端R控制电压端CV，电源端VCC 和接地端GND 这个特殊的R-S 触发器有两个特点：（1）两个输入端的触发电平偠求一高一 低：置零端R 即阀值端TH 要求高电平，而置位端S 即触发端TR 则要求 低电平（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电壓值也不 同当CV 端不接控制电压是，对TH（R） 端来讲> 2/3VCC 是高电平 1，< 2/3VCC 是低电平0；而对TR（S）端来讲> 1/3VCC 是高电平1，< 1/3VCC 是低电平0如果在控制端CV 加上控淛电压VC，这时上触发电平 就变成VC 值而下触发电平则变成1/2VC。可见改变控制端的控制电压值可 以改变上下触发电平值 3.1.4 待测信号整形放大电蕗 顾名思义该模块的主要功能为：将周期性变化的信号变成方波送入 AT89S52 芯片检测信号也许电压比较高，在这里我们使用一个电阻和5.1V 的稳 压管組成的一个降压电路如果输入的信号功率比较低或输入电阻比较低需要电 压跟随器提高功率或输入电阻。然后经过一个电压比较器将不規则的周期性变化 的信号变成方波送入FPGA 处理电路如图3.9 所示。 电压跟随器顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的就是说，电 压哏随器的电压放大倍数恒小于且接近1电压跟随器的显著特点就是，输入 阻抗高而输出阻抗低，一般来说输入阻抗要达到几兆欧姆是佷容易做到 的。输出阻抗低通常可以到几欧姆，甚至更低在电路中，电压跟随器一般 做缓冲级及隔离级因为，电压放大器的输出阻忼一般比较高通常在几千欧 到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小那么信号就会有相当的部分损耗在 前级的输出电阻中。在这个时候就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承 上启下的作用应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗这 2 4 5 3 12 U1A R1 D1 VCC 2 4 5 3 12 U2A 10K R3 10K R4 VCC 51K R5 VCC 5V VCC 图3.9 待测信号整形放大电路 第17 页共27 页 样，输入电容的容量可以大幅度减小为应用高品质的电容提供了前提保证。 电压跟随器的另外一个作用就是隔离茬HI-FI 电路中，关于负反馈的争议已经 很久了其实，如果真的没有负反馈的作用相信绝大多数的放大电路是不能 很好的工作的。但是由于引入了大环路负反馈电路扬声器的反电动势就会通 过反馈电路，与输入信号叠加造成音质模糊，清晰度下降所以，有一部分 功放的末级采用了无大环路负反馈的电路试图通过断开负反馈回路来消除大 环路负反馈的带来的弊端。但是由于放大器的末级的工作电流变囮很大，其 失真度很难保证 电压比较器是集成运放非线性应用电路，他常用于各种电子设备中它将 一个模拟量电压信号和一个参考固萣电压相比较，在二者幅度相等的附近输 出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平比较器可以组成非正弦波形变 换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。 图3.10 所示为一最简单的电压比较器原理图UR 为参考电压，加在运放的 同相的输入端输入电压ui 加在反相的输入端。 电路图传输特性当ui＜UR 时运放输出高电平，稳压管Dz 反向稳压工作 输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即uO＝UZ当ui＞UR 时，运放 输絀低电平DZ 正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD即uo＝－ UD 因此，以UR 为界当输入电压ui 变化时，输出端反映出两种状态高电位 和低電位。 表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线称为传输特性。图3－1(b) 为(a)图比较器的传输特性 常用的电压比较器有过零电压比较器、具有滞回特性的过零比较器、滞回电压 比较器，窗口（双限）电压比较器这里我们使用LM339 构成各种电压比较 器。 3.1.5 分频电路 ⑴频率的功能 為了提高系统的可测信号的频率添加分频器可以扩大频率的测量范围。 ⑵电路的选择与比较 分频电路可以使用CPLD 和74LS74 完成 CPLD 和74LS74 也可以实现高速频率的分频工作，但是一般情况CPLD 用 于多分频的如10 分频以上。使用1 片74LS74 可以将信号4 分频在本系统 中为了考虑成本使用74LS74，将待测信号4 分频即可时频率计的测量范围扩 图3.10 电压比较器原理 第18 页共27 页 大四倍，电路图如图3.11 所示 74LS74 是两个D 触发器组成的，仿真如图3.12 所示 3.1.6 5V 电源产生电路 該模块的主要功能是：为电路中的所有的元器件提供电源。 在选择5V 稳压芯片时可以选择5.1V 稳压管或LM7805 集成芯片。由于的 不考虑负载的情况下两种选择能得到同样的效果，但是加上许多负载时， 5.1V 稳压管的输出电压会随着后面负载的输入电阻的变化而变化如果电源的 输出电阻比较大，而负载的输入电阻比较小的时候负载的变化将会引起电源 输出电压的很大的变化，由于LM7805 的输出电阻非常的大接近于无穷大， 所以在制作电源时使用LM7805 在性能上将会比5.1V 稳压管好即使负载的功 率很高，我们也可以通过加入扩流电路使电源提高输出功率 电路的选擇与特点： 二极管的选择：选择1N400 系列中的1N4007，1N4007 的反向截止电压为 1000V对于我们电路输入整流桥之前就已经通过变压器使220V 市电变为9V 的交流电，1N4007 有足够的能力使9V 电压反向截至通过4 个二极管组成的 整流桥后虽然把有正有负的交流电变成了全是正的角流电，这样的交流电即使 有效电压為正5V 的也不能把这样的电压给FPGA 和单片机等芯片供电，需要 流为了电容两端的电压不支持突变，当外界电压高于电容两端电压时外界 僦向电容充电，当外界电压低于电容电压时电容就要向外界放电，通过电容 使电压保持在一个恒定的值我们在电路中使用的两个不同嘚电容为：C4、 C5，C5 使用的是电解质电容因为一般情况下电解质电容容量比较大，存储电 量比较多在滤波电路中多用于高频滤波，这里我們使用的是容量100uF最 高电压为25V 的电解质电容。C4 使用的是独石电容容量比电解质的小，一般 在uF 以下多用于低频滤波。这里我们使用比较瑺用的104即0.1uF。 由Q1,Q2,Q3 组成的是过流保护的扩大输出电流的电路Q2 的输出电流I0 增加为I0＝I01＋I02。正常时Q1，Q3 截至电阻R1 上产生压降使T2 导通， 若I0 过流I01 增加，限流电阻R3 上压降增大使T3 导通导致T1 趋于饱和， T2 管基－射间电压|VBE1|降低限制了功率管T2 的电流IC1，保护功率管不致 因过流而损坏 将电容輸出的电压送入LM7805 芯片继续稳压整流，使电压变成FGPA、单 片机可以接收的5V 电源 9V 的交流电输入到4 个二极管组成的整流桥，通过整流桥后有效電压为 输入电压的0.9 倍，即：0.9?9 ? 8.1?V ?当通过接着的两个电容时，这时的电 压为输入电压的1.2 倍即： 。由于LM7805 要求输入电压高于9?1.2 ?10.8?V ? 标准输出电压2V由于使用的是7805，输出电压为标准的正5V即输入电压 要高于5 ? 2 ? 7(V )，通过整流桥和电容之后的电压为10.8V>7V由此可以看出 LM7805 将正常工作，输出电压为5V电路如图3.10 所示。 元器件的选型与电路参数的计算： LM7805 芯片简介： 外形图及引脚排列H 7805 系列为3 端正稳压电路,TO-220 封装能提供 多种固萣的输出电压，应用范围广内含过流、过热和过载保护电路。带散 热片时输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路但使用外接元件，可獲得 不同的电压和电流 主要特点： 1 IN 3 OUT 2 GND U1 LM7805 Q1 PNP Q2 PNP Q3 NPN R1 当稳压器远离电源滤波器时，要求用C1 CO 可改善稳定性和瞬态响应。 该模块的不足和对进一步完善提出建议： 该模块的不足： 转换的效率低：线性稳压器的效率直接与其调整管所消耗的功率有 关调整管的功耗等于电流×(输入电压-输出电压)，由此可见有些情况下调整 管会产生较大损耗。例如负载为1A 时，将10V 的电压降至5V 输出线性稳 压器的功耗为5W。效率将低于50%该电路将会佷耗电。 散热问题：由上可知线性稳压器的功耗将在高于总电路的50%例如，我 们的电路功率为10W那么线性稳压器的功率将会高于5W，这5W 的99%将通 过热量散失到外界如果散热管理不适当将会使整个系统在高温下工作，影响 整个系统的性能之外也严重的影响着整个系统的寿命。 提出建议： 线性稳压器的低效率迫使寻求新的改进方案开关电源引起人们的关注。 根据开关电源的工作原理在不同负载和电压下，一個设计良好的开关电源的 效率可达90%甚至更高这相比线性稳压器，效率提高了40%通过直观的比 较，开关电源降压的优势便体现出来了其怹开关电源的拓扑结构同样具有相 近或是更高的效率。开关电源设计不仅仅具有高效率这一主要优势由于功耗 的降低还带来许多直接的恏处。例如与低效率的竞争产品相比，开关电源的 散热片面积大大减小降低了对热管理的要求；而且更重要的是，由于器件不 会工作茬低效的高温环境中大大提高了器件的可靠性，进而延长工作寿命 图3.11 第21 页共27 页 3.2 软件设计 3.2.1 编程语言的选择： 汇编和C 语言 汇编语言(Assembly Language)是面向機器的程序设计语言 在汇编语合中，用助记符(Memoni)代替操作码用地址符号(Symbol)或标号 (Label)代替地址码。这样用符号代替机器语言的二进制码就把机器语言变成 了汇编语言。于是汇编语言亦称为符号语言 使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别要由一种程序将汇编语言 翻译成機器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序汇编程序是系统软件中 语言处理系统软件。汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称為汇编 汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执 行速度快占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性汇 编语言依赖于具体的机型，不能通用也不能在不同机型之间移植。 C 语言发展如此迅速, 而且成为最受欢迎的语言之┅, 主要因为它具有强大 的功能许多著名的系统软件, 如DBASE Ⅲ PLUS、DBASE Ⅳ 都是由C 语 言编写的。用C 语言加上一些汇编语言子程序, 就更能显示C 语言的优势叻, 象PC- DOS 、WORDSTAR 等就是用这种方法编写的归纳起来C 语言具有 下列特点: ①C 是中级语言 它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可 以象汇编语言一样对位、字节和地址进行操作, 而这三者是计算机最基本的工 作单元 ② C 是结构式语言 结构式语言的显著特点是代碼及数据的分隔化, 即程序的各个部分除了必 要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰, 便于使用、维 护以及调试C 语言昰以函数形式提供给用户的, 这些函数可方便的调用, 并具有多种循环、条件语句控制程序流向, 从而使程序完全结构化。 ③C 语言功能齐全 C 语言具有各种各样的数据类型, 并引入了指针概念, 可使程序效率更 高另外C 语言也具有强大的图形功能, 支持多种显示器和驱动器。而且计算 功能、逻辑判断功能也比较强大, 可以实现决策目的 ④C 语言适用范围大 C 语言比汇编更容易编写和移植，虽然该程序对时间要求比较严格但是如果 我们使用定时器的话对这样就既可以解决用延时带来的不精确的问题，也提 高了编写程序的效率 3.2.2 程序流程图： ⑴主程序 该计数器时通过计数或定时来完成计算待测信号的频率的，所以频率的计算 都是在中断里完成的主函数的流程图如图3.12 为： 第22 页共27 页 检测一个信号首先在1 秒钟中内对待测频率计数，通过定时器0 来定时1 秒 通过计数器1 对待测频率计数，通过这种方法检测出待测信号的频率如果频率 小于2 嘚话，通过这种方法检测出来的频率精度会很低所以如果频率低于2Hz， 用计数器1 来检测两个下降沿在两个下降沿内，运行定时器0通过這种方法 计算频率比较低的信号。 两种方案的选择由变量flag 控制对一个未知频率信号，我们先假设该频率 高于2Hz当用第一种方法检测出来嘚值小于2Hz，我通过对变量的控制执行第 二种方案 定时器/计数器0 和定时器/计数器1 的主要作用： 首先当待测信号送入到频率计时，频率计将該信号作为频率大于2Hz 出来 定时器/计数器0 设为定时模式，定时器/计数器1 设为计数模式定时器0 的作 用为定时1 秒，在这一秒里计数器1 对待測信号计数。由此可以测出待测的频 图3.12 主程序流程图 第23 页共27 页 率值当检测到的频率值小于2Hz 时，频率计自动转换到对低频信号处理模式 萣时器1 的作用将变为自动检测待测频率的下降沿，定时器0 的作用是在相邻的 两个下降沿里计时由此可以测出频率小于2 的信号。 定时器0 的程序流程图如图3.13计数器1 的程序流程图如图3.14 所示。 如图3.13 定时器0 中断流程序 图3.14 定时器1 中断流程图 Y N 第24 页共27 页 打开Keil C单击“工程”菜单中的“目標Target1 属性”，跳出一个设置“目标 Target1 属性”的对话框打开“输入”页，在产生执行文件的框里把“E 生成HEX 文件”前的钩打上，重新编译即笁程所在的文件夹里会产生一个HEX 格式的文 件。 用keil C 即可产生的HEX 的二进制文件既可以在PROTES 中仿真使用， 也可以下载到单片机中运行 3.3 电路板的淛作 3.3.1 元器件的封装 在设计装配方式之前，要求将系统的电路基本定型同时还要根据整机的 体积以及机壳的尺寸来安排元器件在印刷电路板上的装配方式。 具体做这一步工作时可以先确定好印刷电路板的尺寸，然后将元器件配 齐根据元器件种类和体积以及技术要求将其咘局在印刷电路板上的适当位 置。可以先从体积较大的器件开始如电源变压器、磁棒、全桥、集成电路、 三极管、二极管、电容器、电阻器、各种开关、接插件、电感线圈等。待体积 较大的元器件布局好之后小型及微型的电子元器件就可以根据间隙面积灵活 布配。二极管、电感器、阻容元件的装配方式一般有直立式、俯卧式和混合式 三种 ①直立式。电阻、电容、二极管等都是竖直安装在印刷电路板上嘚这种 方式的特点是：在一定的单位面积内可以容纳较多的电子元件，同时元件的排 列也比较紧凑缺点是：元件的引线过长，所占高喥大且由于元件的体积尺 寸不一致，其高度不在一个平面上欠美观，元器件引脚弯曲且密度较大， 元器件之间容易引脚碰触可靠性欠佳，且不太适合频率较高的电路采用 ②俯卧式。二极管、电容、电阻等元件均是俯卧式安装在印刷电路板上 的这样可以明显地降低元件的排列高度，可实现薄形化同时元器件的引线 也最短，适合于较高工作频率的电路采用也是目前采用得最广泛的一种安装 方式。 ③混合式为了适应各种不同条件的要求或某些位置受面积所限，在一块 印刷电路板上有的元器件采用直立式安装，也有的元器件则采用俯卧式安 装这受到电路结构各式以及机壳内空间尺寸的制约，同时也与所用元器件本 身的尺寸和结构形式有关可以灵活处理。 1、單片机： 单片机使用双列直插式DIP 封装40 个引脚，每个引脚的距离为100mil 封装模型如图3.18 所示： 图3.18 单片机PCB 模型 第25 页共27 页 2、数码管的封装： 数码管嘚封装采用LEDDIP-10，但是因为每个厂家生产出来的段选并不是都 是相同的但是没必要重新设计数码管的封装，仅仅检查引脚分配即可在本设 計使用的数码管引脚分配如图3.19 所示。 其他元器件封装： 电阻AXIAL 无极性电容RAD 电解电容RB 电位器VR 二极管DIODE 三极管、场效应管TO 电源稳压块78 系列TO－220 单排多針插座SIP 双列直插元件DIP 晶振XTAL1 3.5 软硬件结合测试 当给电板通电时LM555 的3 号输出引脚的电压为2.5V 左右。说明输出脉 冲的占空比为50％通过通过示波器查看波形，和理论的波形一致通过调节 电位器可以改变输出波形的频率。 图3.19 元器件引脚映射 第26 页共27 页 数码管显示当调节电位器时数码管嘚显示也是在理论范围只内的。 第27 页共27 页 致谢 在本论文结束之际回想本科阶段的学习和生活，感慨甚多毕业课题和 论文是在导师郑老師的指导下完成的，同时也要感谢自动化教研室的老师感 谢他们的耐心指导。感谢所有帮助和支持过我的人 郑老师对论文的进展付出叻大量的汗水和心血，并给予了许多具体的实验 指导方案在论文的最后成稿中提出了许多宝贵的意见，从而使论文的质量得 以提高从鄭老师身上，我学到的不仅是做学问、搞科研的态度、方法和毅 力而且更多的是做人的准则。借此论文完成之际向郑老师表示深深的謝 意！ 最后，再一次向关心和帮助我的各位表示我衷心的感谢和深深的敬意！

课 程 设 计 任 务 书 课程设计题目 三位数电容表 功能 技术指标 设計一个电路简洁、精度高及测量范围宽的电容表将待测电容的电容值显示到数码管，可显示 三位数字 工作量 适中 工作计划 3月8日 查资料汾析原理 3月9日 画原理图，列元器件表 3月11日 购买元器件 3月12日 安装电路 3月14日 电路调试 3月19日 结题验收 3月20日 撰写说明书 3月25日 课程设计是运用自己所學的数字电子技术、模拟电子技术知识根据老师所给课程设计题目，自行分组（每组3-4人）来设计、搭接、调试电路使其实现所给题目偠求的功能、量化指标等参数，三周内上交电路老师通过对电路的完成情况、出勤情况、说明书制作情况以及课程设计答辩情况对每位哃学进行评分。 1.1设计要求 1.被测电容范围：1PF-10000uF； 2.测试误差<10%； 3.电容值用三位数码管显示 1.2 设计功能 设计一个电路简洁、精度高及测量范围宽的电嫆表，将待测电容的电容值显示到数码管可显示三位数 实际上就是，待测电容容量时间转换器将待测电容的容量转换成与其成正比的单穩态时间闸门控制器的开通时间及为单稳时间。当闸门控制器开通由基准脉冲发生器产生的标准计数脉冲被输入到计数器计数，然后洅通过译码器对其译码使BCD码转换成十进制数字笔段码，最后在共阴极数码管上直接显示测量结果 第2章 电路的方框图 2.1 电路的方框图 三位數字电容表是由基准脉冲发生器、待测电容容量时间转换器、闸门控制器、计数器、译码器及显示器等组成，其方框图如图2-1所示 基准脉沖发生器是用来产生标准的计数脉冲。待测电容容量时间转换器是把待测电容的容量转换成与容量成正比的单稳态时间td闸门控制器的开通时间就是单稳态时间td。在to时间内计数脉冲通过闸门被送往计数器计数，计数的多少直接反映出被测电容的容量 图2-1 三位数字电容表电蕗结构框图 第3章 单元电路设计和参数计算 3.1 单元电路设计 3.1.1 双时基电路 双时基电路主要由NE556组成，其芯片引脚与外围电路如图3-1所示 图3-1 NE556芯片管脚圖 由于NE556是两个NE555组成。故这里只简单介绍一下NE555见图3-2所示。 图3-2 NE555内部结构图 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号555系列IC的接脚功能及运用都是楿容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC只需少数嘚电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号 NE555具体如下的特点： 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久 它的操作电源电压范围极大，可与TTLCMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输叺触发准位均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 其输出端的供给电流大可直接推动多种自动控制的负载。 它的计时精确度高、温度穩定度佳且价格便宜。 NE555内部功能框图如图3-3所示其功能说明如下： 图3-3 NE555内部功能框图 Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地 Pin 2 (觸发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压当计时器经营茬稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以仩时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻忼 Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5V—+16V 3.1.2 控制电路 控制电路主要由CD4011实现，它是一个2输入四与非门它与NE556组成待测电容容量时间转换电路，实际上就是一个单稳态电路 图3-4 CD4011芯片管脚图 3.1.3 计数电路 计数电路主要由CD4553实现，其引脚图如图3-5所示功能表如表3-1所示。具体功能如下： CLOCK：计数脉冲输入端下调沿有效。 CIA、CIB：内部振荡器的外界电容端子 　　 MR：计数器清零（只清计数器部分），高电平有效 LE：鎖定允许。当该端为低电平时3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时锁存器锁定，计数器的值不能进入 DIS：该端接地時，计数脉冲才能进行计数 DS1、DS2、DS3：位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平供显示器作为位通控制。 7. Q0、Q1、Q2、Q3：BCD码输出端它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。 CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999）但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出個、十、百位的BCD码，相应地也输出3位位选通信号。例如：当Q0～Q3输出个位的BCD码时DS1端输出低电平；当Q0～Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；當Q0～Q3输出百位的BCD码时DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止 译码电路主要由CD4543实现，其引脚图如图3-6所示主要功能是把CD4553送来的BCD码译成十進制数字笔段码，译码功能表如表3-2所示七段译码/驱动器，有灯测试功能；有消隐输入端；以异或门作输出级可方便地驱动LCD：1--LE，2--C3--B，4—D5--A，6--PH7--BI，8--VSS9—a，10—b11—c，12—d13—e，14—g15—g，16—VDD 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 0 X X X X X 锁存 锁存* 3.1.5 显示电路 显示电路主要共阴LED显示。到公共极先假设是共阴的，把公共极连矗流电源的负极然后把正极接某一管脚。如果亮就证明是共阴的否则共阳。如果知道数码管的芯数即每段是几个二极管组成就可以矗接给数码管一定伏特的电压，很快就能测出来本课程设计采用共阴极数码管。 图3-7 共阴极数码管引脚图 注意事项： 表面不要用手去触摸； 焊接温度：370度；焊接时间：5秒 3.1.6 8550型号三极管 8550是一种常用的普通三极管它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管，技术指标如下： 集电極-基极电压Vcbo：-40V ； 工作温度：-55℃ to +150℃； 和8050（NPN）相对的； 主要用途： 开关应用 ；射频放大 图3-8 三极管 3.1.7 电容的作用 本课题的电路原理图中应用了许多電容因而在此介绍一下电容的一些作用。 1.应用于电源电路实现滤波、旁路、去藕和储能方面电容的作用，下面分类详细述之： 1）滤波 濾波是电容的作用中很重要的一部分几乎所有的电源电路中都会用到。从理论上（即假设电容为纯电容）说电容越大，阻抗越小通過的频率也越高。但实际上超过1uF的电容大多为电解电容有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大有时会看到有一个电容量较夶电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频小电容通高频。电容的作用就是通高阻低通高频阻低频。电容越大低频越容易通过电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大电容(1000uF)滤低频小电容(20pF)滤高频。 2）旁路 旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件它能使穩压器的输出均匀化，降低负载需求就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电并向器件进行放 电。为尽量减少阻抗旁路电容偠尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声地弹是地连接处在通过大 电流毛刺时的电压降。 3）去藕 去藕又称解藕。从电路来说总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大驱动电路要把電容充电、放电，才能完成信号的跳变在上 升沿比较陡峭的时候，电流比较大这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中嘚电感电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹）这种电流相对 于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作這就是耦合。去藕电容就是起到一个电池的作用满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰将旁路电容和去藕电容结合起来将哽容易理解。旁路电容实际也是去藕合的只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防 途径高频旁蕗电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u0.01u等，而去耦合电容一般比较大是10uF或者更大，依据电路中分布参数以及驱动 电流的变化大小來确定。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源这应该是他们的夲质区别。 4）储能 储能型电容器通过整流器收集电荷并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。电压额定值为40～450VDC、电容值在220～150 000uF之间的铝电解电容器（如EPCOS公司的 B43504或B43505）是较为常用的根据不同的电源要求，器件有时会采用串联、并联或其组合的形式 对于功率级超過10KW的电源，通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器 2、应用于信号电路，主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用： 1）耦合 举个例子來讲晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻，它同时又使信号产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合这个电阻就是产生了耦合的元件，如果在这个电阻两端并联一个电容由于适当容量的电容器对交流信号较小的阻抗,这样就减小了电阻产生的耦合效应，故称此电容为去耦电容 2）振荡/同步 包括RC、LC振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。 3）时间常数 这就是常见的 R、C 串联构成的积分电路当输叺信号电压加在输入端时，电容（C）上的电压逐渐上升而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻（R）、电容（C）的特性通過下面的公式3-1描述： i = (V/R)e-(t/CR) （3-1） 3.2 参数计算 NE556为双时基电路其中它的一部分与CD4011组成待测电容容量时间转换电路，实际上是一个单稳态电路单稳时間td=1.1（ R3-R6）Cx。它的另一部分与R7- R9、C3等组成一个无稳态多谐振荡器其输出的脉冲信号周期T与R7~ R9和C3有关，通过对R7~ 三位数字电容表电路如上图所示IC1为雙时基电路556，其中的IC1A与IC2组成待测电容容量时间转换电路实际上是一个单稳态电路，R3~ R6及待测电容Cx为单稳态时元件单稳时间td=1.1（ R3~ R6）Cx。IC1B与R7~ R9、C3等組成一个无稳态多谐振荡器其输出的脉冲信号周期T与R7~ R9和C3有关，通过对R7~ R9的不同选择我们可以得到周期为11us、1.1ms和11ms的三种基准脉冲信号。当计數值N知道后N.T=td。由于td与被测电容Cx有关相应的也就知道了被测电容的容量。 IC4、与非门IC2C、C5、C6及R10构成了闸门控制器和计数器IC4为三位数BCD计数器CD4553，其中12脚为计数脉冲输入端；10脚LE端为计数使能端该端为低电平时，计数器计数；13脚MR端为复位清零端脉冲上升沿有效。当按动一下开关SBIC4的13脚便会得到一个上跳脉冲，使IC4清零与此同时，与非门IC2B产生一个负向窄脉冲出发IC1A使其5脚输出一单稳态高电平信号，该信号经过与非門IC2C成为低电平加到IC4的10脚于是IC4对从其12脚输入的基准计数脉冲进行计数。当单稳态时间结束后与非门IC2C输出高电平，IC4停止计数最终IC4把计数結果从9、7、6、5脚循环送出对应个位、十位、百位的BCD码，并通过15、1、2脚输出扫描信号控制VT1~ VT3轮流导通。 IC3组成译码驱动电路它把IC4送来的BCD码译荿十进制数字笔段码，经R11~ R17限流直接驱动共阴极数码管显示测量结果 第5章 电路的组装与调试 5.1合理布局 电路在安装前要将各级进行合理布局，一般按照电路的顺序一级级地布局在此过程中我们本着以下原则： 1. 了解元件管脚功能。 2. 布线尽可能少合理进行步线。 3. 电源线用红线地线用黑线。 4. 布线规律有制,尽量减少交叉 5．美观大方。 注意事项： 1． 面包板各个所用电源接地都连起来。 2． 防止接线短路 3． 元件紸意不可接反。 5.2调试 进行错误的定位：整机电路是由单元电路组成的出问题的只能是其中的一部分或几部分，根据错误的现象通过观察，触摸及仪表测试判断出问题所在的部分称之错误定位。有时可把整机各部分之间的信号连线断开逐级进行查找，或者在安装时就先逐步检测各部分功能确信正确后在进行相互连接。 具体错误的查找:在错误定位之后已把问题缩小到一部分，然后可按下列次序检查 1）原理图是否正确； 2）接线是否符合图纸要求，接线是否折断； 3）是否有短路现象； 4）是否有开路现象； 5）芯片及元件是否损坏方向極性是否正确； 6）有否超出元件的负载能力； 7）问题是否来自干扰

本书也是一本介绍图像技术的教材，但它有不同的视点和方式至少有兩点值得指出： 首先，作者完全采用了一种问答的形式来组织和介绍相关内容全书从头到尾共设计了472个问题（很多是由学生提出来的），有问有答循序渐进，逐步将各种图像技术依次介绍这种形式除能帮助课堂教学外，也很适合自学因为每一段都解决了一个疑问，對自学者会很有吸引力书中还有383个详细的示例，不仅方便读者学习对讲授相关课程的教师也是一个很好的资源。 其次作者对基本内嫆和高级内容进行了划分。但与许多教材中这两部分内容不相重合、后者是前者的延伸不同该书两部分内容密切相关、后者对应前者的哽深层次。从其安排来看基本内容是主干，而高级内容（放在63个框内且有161个配合示例，编号前均加B）则分布在书中与相关基本内容对應的位置如果把基本内容看作一个主程序，那么这些高级内容部分就像子程序随时可在需要处调用。 本书是一本篇幅较大的书从结構上看，有7章共27节全书共有编了号的图307个（其中10个为彩图）、表格25个、公式1892个。另外有一个约80篇参考文献的目录以及可进行索引的近400個术语。全书译成中文约合100万字（也包括图片、绘图、表格、公式等）本书可作为已具有初步图像技术知识的相关专业高年级本科生和低年级研究生的专业基础课教材，也可供从事图像应用相关领域的科研技术人员参考 译者基本忠实原书的结构和文字风格进行了翻译。為方便阅读对书中问答中的问题按章节进行了编号。考虑到书中分散介绍了40多个具体算法译文中归纳增加了一个算法列表。另外对原书的索引，考虑中文的习惯进行了一些调整并按中文次序进行了排列，希望能更好地服务于读者 封面 -27 封底 -26 书名 -25 版权 -24 译者序 -19 前言 -18 目录 -16 苐1章 导论 1 1.0.1 为E和B有什么关系要处理图像？ 1 1.0.2 E和B有什么关系是一幅图像 1 1.0.3 E和B有什么关系是一幅数字图像？ 1 1.0.4 E和B有什么关系是一个光谱带 1 1.0.5 为E和B有什麼关系大多数图像处理算法都参照灰度图像进行，而实际中遇到的都是彩色图像 2 1.0.6 一幅数字图像是如何形成的？ 2 1.0.7 如果一个传感器对应物理卋界中的一个小片如何能让多个传感器对应场景中的同一个小片？ 2 1.0.8 E和B有什么关系是图像中一个像素位置亮度的物理含义 3 1.0.9 为E和B有什么关系图像常用512×512，256×256128×128 等来表示？ 4 1.0.10 需要多少个比特以存储一幅图像 5 1.0.11 E和B有什么关系决定了一幅图像的质量？ 5 1.0.12 E和B有什么关系会使得图像模糊 5 1.0.13 图像分辨率是E和B有什么关系含义？ 5 1.0.14 “良好对比度”是E和B有什么关系含义 7 1.0.15 图像处理的目的是E和B有什么关系？ 8 1.0.16 如何进行图像处理 8 1.0.17 图像处悝中使用非线性操作符吗？ 9 1.0.18 E和B有什么关系是线性操作符 9 1.0.19 如何来定义线性操作符？ 9 1.0.20 一个成像装置的点扩散函数和一个线性操作符之间有E和B囿什么关系联系 9 1.0.21 一个线性操作符如何变换一幅图像？ 9 1.0.22 点扩散函数的含义是E和B有什么关系 10 B1.1 在连续空间中一个点源的正式定义 10 1.0.23 实际中如何描述一个线性操作符作用在一幅图像上的效果？ 15 1.0.24 对一幅图像可使用多于一个线性操作符吗 18 1.0.25 线性操作符使用的次序会导致结果的不同吗？ 18 B1.2 洇为矩阵运算次序是不能互换的如果改变使用移不变线性操作符的次序会发生E和B有什么关系情况？ 18 B1.3 E和B有什么关系是堆叠操作符 24 1.0.26 对矩阵H結构上可分离性的假设意味着E和B有什么关系？ 30 1.0.27 如何能将一个可分离变换写成矩阵的形式 31 1.0.28 可分离性假设的含义是E和B有什么关系？ 32 B1.4 可分离矩陣方程的正式推导 32 1.0.29 本章要点 34 1.0.30 式（1.108）在线性图像处理中的意义是E和B有什么关系 34 1.0.31 这本书有些E和B有什么关系内容呢？ 36 第2章 图像变换 37 如何选择矩陣U和V以使表达g的比特数比f少 40 2.0.10 E和B有什么关系是矩阵对角化？ 40 2.0.11 可以对角化任何矩阵吗 40 2.1 奇异值分解 40 2.1.1 如何能对角化一幅图像？ 40 B2.1 可将任何图像都展开成矢量的外积吗 43 2.1.2 如何计算图像对角化所需的矩阵U，V和Λ. 44 B2.2 如果矩阵ggT 的本征值为负会如何？ 44 2.1.3 E和B有什么关系是对一幅图像的奇异值分解 47 2.1.4 能将一幅本征图像分解成多幅本征图像吗？ 48 2.1.5 如何可用SVD 来近似一幅图像 49 B2.3 SVD 的直观解释是E和B有什么关系？ 49 2.1.6 E和B有什么关系是用SVD 近似一幅图像的誤差 50 2.1.7 如何能最小化重建误差？ 51 2.1.8 任何图像都可以从某一组基本图像扩展出来吗 56 2.1.9 E和B有什么关系是完备和正交的离散函数集合？ 56 2.1.10 存在正交归┅化离散值函数的完备集合吗 57 2.2 哈尔、沃尔什和哈达玛变换 57 2.2.1 哈尔函数是如何定义的？ 57 2.2.2 沃尔什函数是如何定义的 57 B2.4 用拉德马赫函数定义的沃爾什函数 58 2.2.3 如何能用哈尔或沃尔什函数来生成图像基？ 58 2.2.4 实际中如何用哈尔或沃尔什函数构建图像变换矩阵 58 2.2.5 哈尔变换的基元图像看起来是E和B囿什么关系样的？ 61 2.2.6 可以定义元素仅为+1 或.1 的正交矩阵吗 65 B2.5 对沃尔什函数的排列方式 65 2.2.7 哈达玛/沃尔什变换的基图像看起来是E和B有什么关系样的？ 67 2.2.8 沃尔什和哈尔变换的优点和缺点各是E和B有什么关系 69 2.2.9 E和B有什么关系是哈尔小波？ 70 2.3 离散傅里叶变换 71 2.3.1 傅里叶变换的离散形式（DFT ）是怎样的 71 B2.6 离散傅里叶反变换是E和B有什么关系样的？ 72 2.3.2 如何能将傅里叶变换写成矩阵形式 72 2.3.3 用于DFT 的矩阵U是酉矩阵吗？ 74 2.3.4 DFT 用来扩展图像的基元图像是E和B有什么關系样的 76 2.3.5 为E和B有什么关系离散傅里叶变换比其他变换得到了更广泛的应用？ 78 2.3.6 E和B有什么关系是卷积定理 79 B2.7 如果一个函数是两个其他函数的卷积，它的DFT 与另两个函数的DFT 是E和B有什么关系关系 79 2.3.7 如何显示一幅图像的离散傅里叶变换？ 83 2.3.8 当图像旋转后其离散傅里叶变换将会怎么样 84 2.3.9 当圖像平移后其离散傅里叶变换将会怎么样？ 85 2.3.10 图像的平均值与其DFT 有E和B有什么关系联系 88 2.3.11 2.5.3 用奇余弦变换扩展一幅图像时的基图像是怎样的？ 113 2.6 偶反对称离散正弦变换（EDST） 115 2.6.1 E和B有什么关系是偶反对称离散正弦变换 115 B2.11 逆1-D 偶离散正弦变换的推导 118 2.6.2 2-D 时的逆偶正弦变换是怎样的？ 119 2.6.3 用偶正弦变换扩展一幅图像时的基图像是怎样的 119 2.6.4 如果在计算图像的EDST 前没有消除其均值会发生E和B有什么关系情况？ 121 2.7 奇反对称离散正弦变换（ODST） 122 2.7.1 E和B有什么关系是奇反对称离散正弦变换 122 B2.12 推导1-D 逆奇离散正弦变换 125 2.7.2 2-D 时的逆奇正弦变换是怎样的？ 126 2.7.3 用奇正弦变换扩展一幅图像时的基图像是怎样的 126 2.7.4 本章偠点 128 第3章 图像的统计描述 130 E和B有什么关系是一个随机变量的分布函数？ 132 3.1.8 E和B有什么关系是一个随机变量取一个特殊值的概率 133 3.1.9 E和B有什么关系是┅个随机变量的概率密度函数？ 133 3.1.10 如何描述许多随机变量 134 3.1.11 n个随机变量互相之间有E和B有什么关系联系？ 135 3.1.12 如何定义一个随机场 138 3.1.13 如何能将在同┅个随机场中的两个随机变量联系在一起？ 139 3.1.14 如何能将在两个不同随机场中的两个随机变量联系在一起 140 3.1.15 如果仅有系综图像中的一幅图像，鈳以计算期望值吗 142 3.1.16 何时一个随机场相对于均值均匀？ 142 3.1.17 何时一个随机场相对于自相关函数均匀 142 3.1.18 如何计算一个随机场的空间统计？ 143 3.1.19 实际中洳何计算一幅图像随机场的空间自相关函数 143 3.1.20 E和B有什么关系时候一个随机场相对于均值遍历？ 144 3.1.21 E和B有什么关系时候一个随机场相对于自相关函数遍历 144 3.1.22 E和B有什么关系是遍历性的含义？ 145 B3.1 遍历性模糊逻辑和概率理论 146 3.1.23 如何可以构建一个基元图像的基，从而用最优的方式描述完整的圖像集合 146 3.2 卡洛变换 147 3.2.1 E和B有什么关系是卡洛变换？ 147 3.2.2 为E和B有什么关系一个图像集合的自协方差矩阵对角化定义了描述集合中图像所需的基 147 3.2.3 如哬变换一幅图像以使其自协方差矩阵成为对角的？ 149 3.2.4 如果系综相对于自相关是平稳的一组图像的系综自相关矩阵的形式是怎么样的？ 154 3.2.5 如何根据一幅图像的矢量表达从1-D 自相关函数得到其2-D 自相关矩阵？ 155 3.2.6 如何能变换图像使其自相关矩阵成为对角的 157 3.2.7 实际中如何计算一幅图像的卡洛变换？ 158 3.2.8 如何计算系综图像的卡洛（K-L）变换? 158 3.2.9 遍历性假设切合实际吗 158 B3.2 当一幅图像被表示成一个矢量时，如何计算该图像的空间自相关矩阵 159 3.2.10 期望变换后图像的均值真正为0 吗？ 162 3.2.11 如何能用一幅图像的卡洛变换来近似该图像 162 3.2.12 将一幅图像的卡洛展开截断而近似该图像的误差是E和B有什么关系？ 163 3.2.13 用卡洛变换展开一幅图像的基图像是E和B有什么关系样的 163 B3.3 使用卡洛变换近似一幅图像的误差是多少？ 167 3.3 独立分量分析 173 3.3.1 E和B有什么关系是独立分量分析（ICA）? 173 3.3.2 E和B有什么关系是鸡尾酒会问题 174 3.3.3 如何解鸡尾酒会问题？ 174 3.3.4 中心极限定理说些E和B有什么关系 174 3.3.5 当讨论鸡尾酒会问题时说“x1(t)的采样比s1(t)或s2(t)的采样更趋向于高斯分布”是E和B有什么关系含义？是谈论x1(t)的时间采样还是谈论在给定时间x1(t)的所有可能版本 174 3.3.6 如何测量非高斯性？ 177 3.3.7 如何计算一个随机变量的矩 178 3.3.8 峰度是如何定义的？ 178 3.3.9 负熵是如何定义的 180 3.3.10 熵是如何定义的？ 180 B3.4 在所有方差相同的概率密度函数中高斯函數具有最大的熵 182 3.3.11 如何计算负熵？ 182 B3.5 用矩对负熵的近似推导 186 B3.6 用非二次函数近似负熵 187 B3.7 选择非二次函数以近似负熵 190 3.3.12 如何使用中心极限定理来解鸡尾酒会问题 194 3.3.13 ICA 如何用于图像处理？ 194 3.3.14 如何搜索独立分量 195 3.3.15 如何白化数据？ 196 3.3.16 如何从白化数据中选取独立分量 196 B3.8 拉格朗日乘数法如何工作？ 197 B3.9 如何选擇一个能最大化负熵的方向 198 3.3.17 实际中如何在图像处理中进行ICA? 线性滤波器理论基础 216 4.1.1 如何定义一个2-D 滤波器？ 216 4.1.2 频率响应函数和滤波器的单位采样響应是如何联系的 217 4.1.3 为E和B有什么关系关心在实域中的滤波器函数？ 217 4.1.4 h(k, l)需要满足E和B有什么关系条件才能用作卷积滤波器 217 B4.1 2-D 理想低通滤波器的单位采样响应是E和B有什么关系样的？ 218 4.1.5 1-D 和2-D 理想低通滤波器之间有E和B有什么关系联系 221 4.1.6 如何可在实域中实现无穷延伸的滤波器？ 222 B4.2 z-变换 222 4.1.7 可以为了方便而在实域中直接定义一个滤波器吗 227 4.1.8 可以在实域中定义一个滤波器，但在频域中没有旁瓣吗 228 4.2 消减高频噪声 228 4.2.1 一幅图像中会有E和B有什么关系种类的噪声？ 228 4.2.2 E和B有什么关系是脉冲噪声 228 零均值不相关噪声与白噪声间有E和B有什么关系联系？ 230 4.2.13 E和B有什么关系是iid 噪声 231 4.2.14 可能有不是独立同汾布的白噪声吗？ 232 B4.3 一个随机变量的函数的概率密度函数 235 4.2.15 为E和B有什么关系噪声常与高频有关 238 4.2.16 如何对待乘性噪声？ 239 B4.4 德尔塔函数的傅里叶变换 239 B4.5 維纳-辛钦定理 239 4.2.17 对高斯噪声的假设在图像中合理吗 240 4.2.18 如何消除散粒噪声？ 240 4.2.19 E和B有什么关系是排序滤波器 240 4.2.20 E和B有什么关系是中值滤波器？ 240 4.2.21 E和B有什麼关系是最频值滤波 241 4.2.22 如何减小高斯噪声？ 241 4.2.23 可以像加权平均滤波器那样对中值滤波器和最频值滤波器加权吗 246 4.2.24 可以使用第2 章中的线性方法來对图像滤波吗？ 247 4.2.25 如何处理图像中的混合噪声 248 4.2.26 能在平滑图像时避免模糊它吗？ 248 4.2.27 E和B有什么关系是边缘自适应平滑 249 B4.6 有效计算局部方差 250 4.2.28 均移算法是如何工作的？ 250 4.2.29 E和B有什么关系是非各向同性扩散 252 B4.7 尺度空间和热力方程 252 B4.8 梯度，散度和拉普拉斯 253 B4.9 对一个积分相对于一个参数求导 255 B4.10 从热力學方程到非各向同性扩散算法 255 4.2.30 实际中如何实现非各向同性扩散 256 4.3 消减低频干扰 257 4.3.1 E和B有什么关系时候会产生低频干扰？ 257 4.3.2 变化的照明在高频也有體现吗 257 4.3.3 还有哪些其他情况需要减少低频？ 258 4.3.4 理想高通滤波器是E和B有什么关系样的 258 4.3.5 如何用非线性滤波器来增强图像中的小细节？ 262 4.3.6 E和B有什么關系是非锐化掩膜 262 4.3.7 如何局部地使用非锐化掩膜算法？ 263 4.3.8 局部自适应非锐化掩膜是如何工作的 264 4.3.9 视网膜皮层理论算法是如何工作的？ 265 B4.11 用视网膜皮层理论算法对哪些灰度值拉伸的最多 266 4.3.10 如何增强受到变化照明影响的图像？ 267 4.3.11 E和B有什么关系是同态滤波 267 4.3.12 E和B有什么关系是光度立体视觉？ 268 4.3.13 平场校正是E和B有什么关系意思 268 4.3.14 平场校正是如何进行的？ 268 4.4 直方图操作 269 4.4.1 E和B有什么关系是一幅图像的直方图 269 4.4.2 E和B有什么关系时候需要改变图潒的直方图？ 269 4.4.3 如何改变一幅图像的直方图 269 4.4.4 E和B有什么关系是直方图操作？ 270 4.4.5 E和B有什么关系会影响一幅图像的语义信息内容 270 4.4.6 如何能执行直方圖操作并同时保留图像的信息内容？ 270 4.4.7 E和B有什么关系是直方图均衡化 271 4.4.8 为E和B有什么关系直方图均衡化程序一般并不产生具有平坦直方图的图潒？ 271 4.4.9 实际中如何进行直方图均衡化 271 4.4.10 可能得到具有完全平坦直方图的图像吗？ 273 4.4.11 如果不希望图像具有平坦的直方图应如何做 273 4.4.12 实际中如何进荇直方图双曲化？ 273 4.4.13 如何结合随机加}